高光譜圖像快速上手：理解數(shù)據(jù)背后的科學意義
2.數(shù)據(jù)格式與文件結(jié)構(gòu)
高光譜相機常用的保存格式是 ENVI 標準格式，包括 .hdr 和 .raw 兩個文件，部分設備還會附帶 .dci 采集信息文件。
2.2 ENVI 格式介紹（.hdr + .raw）
hdr 保存元信息（波長、大小、數(shù)據(jù)類型等）介紹
.hdr 文件是純文本，由 ENVI 標準定義，記錄整個高光譜圖像的所有關(guān)鍵信息samples（寬度 W）
· lines（高度 H）
· bands（光譜數(shù)）
· interleave（存儲方式，如 BIP/BSQ/BIL）
· data type（數(shù)據(jù)類型，例如 uint16, float32）
· wavelength（每個波段對應的波長）
· sensor type（傳感器類型）
.raw 保存光譜數(shù)據(jù)矩陣介紹
.raw 是一個純二進制文件，記錄了所有像素與波段的原始數(shù)字量化值。它只包含數(shù)據(jù)本身，不含尺寸、波長等信息，必須配合 .hdr 文件使用。
數(shù)據(jù)一般按以下三種方式之一存儲：
· BSQ（按波段存儲）
· BIL（按行存儲）
· BIP（按像素存儲）
不同存儲方式對讀取速度和數(shù)據(jù)處理效率可能有影響。
.dci 保存數(shù)據(jù)采集信息介紹
高光譜相機會生成自定義的 .dci 文件，記錄：
· Camera（相機型號）
· R\G\B（數(shù)據(jù)采集時的RGB）
· ExposureTime(曝光時間)
· Gain（增益）
· ObjectDistance移動平臺速度或步長（推掃相機）
· POS:
· longitude 、latitude （經(jīng)緯度）
· altitude （海拔高度）
· height （相對高度）
此文件主要服務于實驗記錄，通常不參與數(shù)據(jù)處理。
地面高光譜相機 機載高光譜相機
2.2數(shù)據(jù)維度（H × W × Bands）
高光譜成像*終形成三維數(shù)據(jù)立方體：
· H（Height）：圖像高度
· W（Width）：圖像寬度
· Bands（波段數(shù)）：每個像素具備多少維光譜
因此高光譜數(shù)據(jù)量遠大于普通圖像，也是后續(xù)算法設計的挑戰(zhàn)來源之一。
2.3常見采集模式與影響（推掃 vs 面陣）
高光譜相機的采集方式主要分為推掃（線掃）和面陣（快照）兩大類，每種方式適用于不同應用場景。
1）推掃式高光譜相機
也叫線陣相機，每次只采集一條線（X 方向），在樣品或相機移動過程中完成 Y 方向掃描。成像過程為：每次成一條線上的像后（X方向），在檢測系統(tǒng)輸送帶前進的過程中，排列的探測器掃出一條帶狀軌跡從而完成縱向掃描（Y方向）。綜合橫縱掃描信息就可以得到樣品的三維高光譜圖像數(shù)據(jù)。
成像原理：
· 相機內(nèi)部有一個狹縫
· 光經(jīng)過光柵分光后投射到線陣探測器
· 運動平臺（或傳送帶）推動樣品，使相機逐行掃描
· *終形成完整高光譜立方體
特點：
光譜分辨率高
噪聲低
適合工業(yè)流水線、農(nóng)作物掃描、實驗室推掃等
2）面陣高光譜相機
也叫 快照式高光譜相機，一次曝光即可獲取所有空間維度。
常見技術(shù)包括：
· 分光棱鏡陣列
· 多分區(qū)濾光片（如 IMEC）
· 多通道分束系統(tǒng)
3.數(shù)據(jù)讀取與可視化
高光譜數(shù)據(jù)的讀取及可視化，可以使用集成好的高光譜遙感軟件直接處理，亦可使用python或MATLAB等自行編程讀取處理，原始高光譜曲線是DN值信息，DN 就是相機探測器把光信號轉(zhuǎn)成的數(shù)字值，本質(zhì)上是“像素灰度”。它不是物理量，因此需要轉(zhuǎn)換為反射率或輻射度數(shù)據(jù)在進行數(shù)據(jù)分析處理。以下為簡單代碼讀取案例。
3.1讀取示例
Python 讀取高光譜圖像示例代碼
MATLAB 讀取高光譜圖像代碼
3.2彩色合成
真彩色合成（True Color）
選擇對應人眼的波長：
· R = 660 nm
· G = 550 nm
· B = 450 nm
呈現(xiàn)出的畫面與肉眼視覺一致。
適用于：自然景物、農(nóng)業(yè)遙感、人類可見光范圍分析。
假彩色合成（False Color）
選擇具有代表性的其他波段，例如：
· R = 800 nm（近紅外）
· G = 660 nm
· B = 550 nm
近紅外表現(xiàn)植物生理狀況，因此常用于：植被健康監(jiān)測、目標高光譜增強、地物分類
假彩色能夠強化某些光譜差異，是高光譜數(shù)據(jù)特有的優(yōu)勢。
真彩色合成 假彩色合成
3.3光譜曲線繪制
高光譜圖像中，每個像素點對應一條光譜曲線。
在軟件中點擊任意位置即可看到其光譜反射率/輻亮度隨波長變化情況。亦可選擇區(qū)域及無規(guī)則圖像，將roi等的所有像素點進行平均。
結(jié)語
高光譜成像看似“高冷”，但本質(zhì)上，它只是用更細致的方式去觀察世界：不僅看形狀、看顏色，更能看到物質(zhì)在光譜維度里的真實樣子。希望這篇文章能幫助你在認識高光譜技術(shù)的道路上邁出更扎實的一步。下一節(jié)我們將介紹高光譜圖像的預處理方法。
